Giới thiệu về kim loại và hợp kim

GIỚI THIỆU VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM KSC Phan Anh Tú VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS) TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA) Hợp kim • Hợp kim sắt: HK có chứa 50 % tr lượng Fe – Phân loại thép – Ký hiệu mác thép • Hợp kim mầu: HK có 50 % tr lượng Fe – HK nhôm-Aluminum – HK đồng-Copper – HK titan-Titanium – Kim loại chịu lửa-Refractory metals – Siêu HK-Superalloys VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS) TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA) Phân loại HK sắt Hợp kim Sắt Thép HK thấp Cacbon thấp Cacbon TB Mầu Gang Gang Gang xám cầu HK cao Cacbon cao Thơng HK thấp, Thơng Có thể Thơng Dụng Khơng gỉ thường cường thường thường cụ NL độ cao VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS) TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA) Gang trắng Gang rèn Phân loại hợp kim sắt • Dựa hàm lượng cacbon – Sắt (< 0.008wt% C) Theo giản đồ pha có pha ferit – Thép (0.008 ~ 2.14wt% C) Trong phần lớn loại thép, tổ chức tế vi gồm có hai pha a Fe3C Hàm lượng cacbon thép thương mại vượt 1.0 wt% – Gang (2.14 ~ 6.70wt% C) Các loại gang thương mại thường có 4.5wt% C VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS) TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA) Hợp kim sắt-thép • Hàm lượng cacbon thường nhỏ 1.0 wt% • Thép cacbon thường: chứa nồng độ lại tạp chất khơng phải C Mn • Khoảng 90% loại thép thép cacbon • Thép hợp kim: thêm nguyên tố hợp kim nồng độ quy định • Thép không gỉ VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS) TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA) Phân loại thép theo hàm lượng cacbon chúng • Thép cacbon thấp – Nhỏ 0.25 wt%C • Thép cacbon trung bình – 0.25 ~ 0.60 wt%C • Thép cacbon cao – 0.60 ~ 1.4 wt%C VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS) TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA) Cách ký hiệu mác thép VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS) TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA) Cách ký hiệu mác thép VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS) TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA) Cách ký hiệu mác thép VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS) TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA) Cách ký hiệu mác thép VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS) TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA) Ký hiệu HK nhôm V ậ t li ệ u Số Al (tối thiểu 99.00%) 1XXX HK nhôm chia nhóm theo ng tố hợp kim Đồng 2XXX Mangan 3XXX Silic 4XXX Manhê 5XXX Mg Si 6XXX XXNi- VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS) TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA) HK nhôm sử dụng ngày nhiều chế tạo ô tô nhu cầu tiết kiệm nhiên liệu thân thiện với mơi trường • HK Al giảm đến 55% khối lượng xe so với kết cấu thép tương đương • Nó đáp ứng tiêu chuẩn va chạm (crashworthiness standards) kết cấu thép tương tự VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS) TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA) Nhôm dùng chế tạo máy bay thùng nhiên liệu tàu vũ trụ • Các nhà chế tạo máy bay dùng HK nhôm độ bền cao (chủ yếu HK 7075) để tăng độ bền cho kết cấu nhơm máy bay • HK 7075 có cho thêm kẽm đồng để tăng độ bền kéo, đồng làm cho Hk khó hàn • HK 7075 có khả gia cơng khí tốt VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS) TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA) Nhơm có trọng lượng nhệ vật liệu tốt để làm dây dẫn điện VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS) TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA) Đồng hợp kim đồng • Đồng khơng HK: – Mềm dẻo khó gia cơng khí – Có thể gia cơng nguội khơng hạn chế – Bền ăn mòn mơi trường đa dạng • HK đồng: bền hóa gia cơng nguội và/hay hợp kim hóa dung dịch rắn • Brông latông hai HK đồng thông dụng • Ứng dụng: trang trí quần áo, vỏ ống phóng (đạn), radiator ô tô, nhạc cụ, công nghiệp điện, điện tử, tiền xu nhiều ứng dụng khác VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS) TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA) Brơng (bronze) Latơng (brass) • Brơng hợp kim đồng thiếc – Là kim loại hợp kim hóa có mục đích – Có thể chứa đến 25% • thiếc Latơng hợp kim đồng kẽm – Có đến 50% kẽm – Kẽm làm tăng độ bền HK Mũ brông – Độ dẻo khả gia công (ép khuôn) tăng VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS) TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA) Latông — hợp kim đồng với kẽm Giản đồ pha hợp kim Cu-Zn VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS) TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA) Titan hợp kim titan • Là vật liệu kỹ thuật với kết hợp tính chất phi thường – Tỷ trọng thấp (4.5 g/cm3) – Nhiệt độ nóng chảy cao (1668°C), modul đàn hồi cao (107 GPa) – Siêu bền: bền kéo nhiệt độ phòng 1400 MPa, độ dẻo cao dễ dàng rèn hay gia cơng khí  Khả phản ứng hóa với vật liệu khác vấn đề oxy hóa nhiệt độ cao  Giá thành • Ứng dụng: kết cấu máy bay, tầu vũ trụ, cơng nghiệp dầu khí hóa chất VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS) TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA) Một ví dụ hợp kim titan Common Tensile Yield A llo y Name Composition Ductility Condition Strength Strength (UNS T ype (wt%) (%EL) (MPa) (MPa) Numbser) a Ti-6Al-4V (R564000) 6Al, 4V, balance Ti Annealed 94XX Ni- • Ứng dụng đặc trưng: phận thay (implant) y tế, thiết bị hóa cơ, cấu kiện khung máy bay VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS) TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA) 947 877 14 Siêu hợp kim Ni • Có tổ hợp xuất sắc tính chất – Hợp kim Ni – Các ng tố hợp kim khác: Nb, Mo, W, Ta, Cr, Ti IN792: Ni-12Cr-10Co-2Mo-4W3.5Al-4Ti-4Ta- 0.01B-0.09Zr-0.1C0.5Hf • Ứng dụng: cấu kiện động (tua bin) máy bay – Cánh tua bin đĩa, có độ bền ăn mòn dão tốt nhiệt độ cao (1000°C) – Tỷ trọng mối quan tâm quan trọng ứng suất ly tâm giảm chi tiết chuyển động quay tỷ trọng chi tiết giảm VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS) TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA) Độ bền vật liệu tăng nhiệt độ Titanium Alloy Nickel Alloy Steel Aluminum Alloy VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS) TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA) Siêu HK niken dùng cho cánh tua bin • Thiết kế động hàng khơng đại ln tìm cách nâng cao nhiệt độ làm việc động để tăng hiệu nói chung • Vật liệu chế tạo cánh tua bin phải đáp ứng yêu cầu làm việc nhiệt độ cao ngày cao • Sử dụng hợp kim Ni tiên tiến với thiết kế làm mát VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS) TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA) Nâng cao độ bền dão cánh tua bin thông qua công nghệ đúc tiên tiến Cánh tua bin đa tinh thể Cấu trúc dạng cột đúc kết tinh định hướng VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS) TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA) Độ bền dão tiếp tục cải thiện với cánh tua bin đơn tinh thể Lớp phủ Barrier nhiệt (TBCs) • Nhu cầu có hiệu suất cao khí thải đòi hỏi nhiệt độ làm việc cao động máy bay • Nhiệt độ nóng chảy superalloys dùng cho cấu kiện tua bin nằm khoảng từ 1230-1315°C • Nhiệt độ mơi trường khí đốt (cháy) > 1370°C Chìa khóa để đạt đến u cầu nhiệt độ cao nằm chỗ cung cấp lớp bảo vệ (cách ly)-lớp phủ barrier nhiệt gốm (TBC) để giảm nhiệt độ bề mặt superalloy bên VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS) TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA) Hot Gases Ceramic Top Coat (100-400m) (Y2O3-Stabilized ZrO2) Bond Coat (~100m) Substrate Cooling Air Thermally Grown Oxide (TGO) (1-10m) Kim loại chịu lửa • Nhiệt độ nóng chảy khoảng 2468°C niobium (Nb) 3410°C vonfram (W) – Liên kết nguyên tử cực mạnh – Modul đàn hồi rộng độ bền độ cứng cao nhiệt độ thường nhiệt độ cao • Ứng dụng: – Ta cho Mo vào thép khơng gỉ để nâng cao độ bền ăn mòn – Hợp kim Molybden: khuôn chuốt chi tiết kết cấu tàu vũ trụ – Hợp kim vonfram: dây tóc (filaments), ống X-ray, điện cực hàn VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS) TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA) ... HK nhơm • Nhôm hợp kim nhôm sử dụng rộng rãi số • hợp kim mầu Hợp kim nhơm: bền hóa gia cơng nguội hợp kim hóa (Cu, Mg, Si, Mn, and Zn) – Loại NL: pha đơn, bền hóa dung dịch rắn – Loại nhiệt luyện:.. .Hợp kim • Hợp kim sắt: HK có chứa 50 % tr lượng Fe – Phân loại thép – Ký hiệu mác thép • Hợp kim mầu: HK có 50 % tr lượng Fe – HK nhôm-Aluminum – HK đồng-Copper – HK titan-Titanium – Kim loại. .. Khoảng 90% loại thép thép cacbon • Thép hợp kim: thêm nguyên tố hợp kim nồng độ quy định • Thép khơng gỉ VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS) TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA) Phân loại thép